動 物

群居型飛蝗為何善于長距離飛行

蝗蟲成群的長距離遷飛是造成蝗災(zāi)爆發(fā)的主要原因，可引發(fā)嚴重的經(jīng)濟損失，以至于因糧食短缺而發(fā)生饑荒?；葹?zāi)爆發(fā)時，大規(guī)模高密度的群居型飛蝗在一個世代內(nèi)能夠聚集飛行超過2000千米，單次最大飛行時間超過10小時。相反，當(dāng)蝗蟲密度低時，零星的散居型飛蝗較少進行長距離遷飛，僅在求偶或躲避天敵時進行短距離飛行。我國科學(xué)家通過飛行行為分析發(fā)現(xiàn)，蝗蟲生長時期的種群密度決定了它們在成蟲期的飛行特征。低密度的散居型飛蝗不是不善飛行，而是飛行爆發(fā)力強、速度快，但耐力不足，呈現(xiàn)出類似“短跑型”運動員的飛行特征。相反，高密度的群居型飛蝗起飛速度不快，以較低的速度進行長時間持續(xù)飛行，呈現(xiàn)出類似“長跑型”運動員的飛行特征?！岸膛苄汀焙汀伴L跑型”的飛行特征分別與飛蝗兩型的生活學(xué)特征匹配。在高種群密度下，“長跑型”的飛行特征有利于群居型飛蝗進行長時間和長距離飛行，有利于保持巨大的遷飛群，以尋找充足的食物和合適的產(chǎn)卵地。零散的散居型飛蝗“短跑型”的飛行特征則有利于飛蝗尋找配偶和快速躲避天敵捕食，因為它們要留居當(dāng)?shù)胤敝?，沒有遷飛需求。當(dāng)種群密度增加時，飛蝗可以改變飛行特征來適應(yīng)遷飛需要。為什么有這樣的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換機制呢？研究人員發(fā)現(xiàn)，群居型和散居型飛蝗在使用能量物質(zhì)種類上沒有明顯區(qū)別，但蝗蟲飛行肌中的能量代謝過程差異是兩型飛蝗飛行特征和能力分化的主要原因。散居型飛蝗的飛行肌具有較高的能量代謝模式，為其提供了較多的飛行所需能量，但在飛行過程中會產(chǎn)生更多活性氧，從而造成氧化壓力積累并抑制其長距離飛行能力。相反地，群居型飛蝗相對較低的能量代謝使其在長時間飛行過程中只產(chǎn)生較少的活性氧，從而維持飛行肌的氧化壓力平衡。蝗蟲成長過程中經(jīng)歷的種群密度塑造了該飛行特征。飛蝗通過飛行肌能量代謝的可塑性和氧化壓力的產(chǎn)生來改變其飛行特征，從而適應(yīng)未來成蟲的生活史。這種適應(yīng)策略可能在其它昆蟲和動物中也存在，給未來的動物飛行適應(yīng)策略研究提供了新視角。（PNAS, 2022, 118(1), e2115753118）

祿豐古猿牙齒化石反映其食性變化

祿豐古猿（Lufengpithecus lufengensis）是中新世晚期生活在我國云南的一種大型猿類，其化石發(fā)現(xiàn)與研究對探討東亞地區(qū)大型類人猿的演化與滅絕、早期人類的起源與發(fā)展具有重要意義。祿豐古猿牙齒化石保存豐富，蘊含著許多尚待揭示的信息?？茖W(xué)家基于豐富的祿豐古猿臼齒化石，利用顯微CT技術(shù)構(gòu)建祿豐古猿及現(xiàn)代人、現(xiàn)生三類大猿（猩猩、大猩猩和黑猩猩）牙齒的虛擬模型，對上下頜臼齒釉質(zhì)厚度及其分布特征進行量化分析，并與其他現(xiàn)生和化石靈長類數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：祿豐古猿具有比較厚的臼齒釉質(zhì)結(jié)構(gòu)，相對釉質(zhì)厚度位于現(xiàn)代人與猩猩之間，明顯比非洲的黑猩猩和大猩猩厚。值得一提的是，祿豐古猿臼齒釉質(zhì)厚度在牙尖和咬合面明顯增厚。祿豐古猿釉質(zhì)厚度的分布特點與人類更相近，即咬合面和牙尖部釉質(zhì)厚度明顯增厚，牙尖部釉質(zhì)體量占比高。這一結(jié)果提示二者牙齒釉質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能具有趨同的適應(yīng)性，其系統(tǒng)演化關(guān)系有待深入考證。在類人猿和早期人類的漫長演化過程中，生存環(huán)境改變與食物適應(yīng)性對古猿和古人類的生存繁衍產(chǎn)生了重要影響。我國西南地區(qū)在中新世晚期具有濕熱的森林環(huán)境，為祿豐古猿及其他靈長類動物提供了適宜的生存環(huán)境。隨著青藏高原的隆起和亞洲季風(fēng)氣候的加強，到中新世最晚期，生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，祿豐古猿可能面臨季節(jié)性食物短缺或食譜轉(zhuǎn)換，在樹棲和地棲相間的生活方式中尋找食物。祿豐古猿釉質(zhì)厚度及分布形態(tài)特征表明，它可以適應(yīng)堅硬而多樣的食物資源，食性范圍更加多元，可以在季節(jié)性食物短缺的情況下擴大食物范圍，以利于種群的生息繁衍。牙齒化石記錄告訴我們，我國華南地區(qū)在更新世時期仍然生存著大量的大型類人猿，包括巨猿和猩猩類動物，而“祿豐古猿的后代是否可以延續(xù)到更新世時期”這一科學(xué)問題尚待深入考證。（Historical Biology, 2021, 33(10), doi.org/10.1080/08912963.2020.1782395）

古DNA揭示東亞家豬母系遺傳歷史

動物的成功馴化對人類社會發(fā)展具有里程碑式的意義。豬是最早被人類馴化的動物之一，在農(nóng)業(yè)社會中發(fā)揮了重要作用。它也是研究動物馴化的重要“模式動物”。至少在10000—8000年前，家豬已在安納托利亞地區(qū)和中國中原地區(qū)被分別、獨立地馴化。古DNA的研究已證實，安納托利亞的家豬在約8500年前隨著新石器時代早期的農(nóng)業(yè)人口進入歐洲，但進入歐洲的家豬不斷與歐洲本地野豬混合，導(dǎo)致歐洲現(xiàn)生的家豬僅保留0—4%的近東祖源成份，幾乎被歐洲本地野豬完全替代。然而，東亞的情況與歐洲完全不同。近日，我國科學(xué)家獲取了42例黃河流域古代豬的高質(zhì)量的線粒體基因組數(shù)據(jù)，其年代為7500—2500年前。研究發(fā)現(xiàn)遺址中出土的部分中國古代豬（25%，可追溯到新石器時代早期）與一些東亞現(xiàn)代的家豬線粒體基因組類型一樣。這表明它們存在母系遺傳的連續(xù)性，而且至少可以追溯到新石器時代早期。這一結(jié)果支持黃河流域作為一個主要的家豬獨立馴化中心的結(jié)論。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，這些古代家豬和現(xiàn)生家豬的線粒體相似度很高，大多數(shù)東亞現(xiàn)代家豬分享較近的線粒體基因組類型，并且群體具有很小的遺傳距離值。這說明，東亞家豬可能來源于一個母系遺傳多樣性本來就低的祖源群體，也可能與家豬選育的過程有關(guān)系。系統(tǒng)進化分枝樹的分析支持湄公河流域（包括中國西南地區(qū)、越南等地）是東亞大部分家豬群體的祖先群體（野豬群體）的來源地，這一區(qū)域可能作為末次冰盛期時的生態(tài)庇護所，保留了大量的母系遺傳類型，所以在所有家豬和野豬群體中擁有最高的遺傳多樣性。通過古代和現(xiàn)代的線粒體基因組數(shù)據(jù)進行突變率的推算，發(fā)現(xiàn)東亞家豬群體的共同祖先可以追溯到20000年前。全新世以來，家豬群體有兩次較大規(guī)模的母系有效群體擴增事件，分別開始于大約7000年前和4000年前，擴增現(xiàn)象與東亞的氣候環(huán)境、外來農(nóng)畜引入及農(nóng)業(yè)社會形成與發(fā)展相聯(lián)系。這也反映了家豬的母系遺傳歷史與人類社會發(fā)展的緊密聯(lián)系。（Journal of Genetics and Genomics, 2021, doi.org/10.1016/j.jgg.2021.11.014）

鱷蜥基因組揭示瀕危小種群中有害突變清除的機制

瀕危動物通常會被隔離成若干小種群，這在一定程度上加劇了遺傳多樣性的下降和近交風(fēng)險。目前，選擇性清除作用被認為是清除有害突變、緩解近交衰退的主要因素之一。但在自然存在的小種群中，有害突變是否能得到有效的清除還存在爭議。鱷蜥（Shinisaurus crocodilurus）是中國的國家一級保護動物，在分類上是獨科獨屬獨種，是珍稀的孑遺物種。中國現(xiàn)存的野生鱷蜥的數(shù)量約為1000只，僅分布于中國東南部的廣西、廣東兩省。越南的種群估計可能不足200只，僅在越南的東北部有報道。為了研究鱷蜥的演化歷史和遺傳多樣性現(xiàn)狀，我國動物學(xué)家構(gòu)建了染色體水平的鱷蜥基因組，并對來自中國和越南的鱷蜥野生小種群的唾液DNA樣本進行遺傳分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存的野生鱷蜥存在4個在遺傳上分化明顯的種群，其中越南種群在大約2萬至2.5萬年前（末次冰盛期）與中國的種群完全分離。通過對鱷蜥的歷史重建發(fā)現(xiàn)，鱷蜥的有效種群大小在最近的一千年的時間中不斷地下降，使得鱷蜥的遺傳多樣性降低，有害突變純合的概率增大。其中，相比于近交程度相對較低的廣東林洲頂種群，廣西大桂山和廣東羅坑種群具有較小的有害突變頻率。進一步的模擬研究發(fā)現(xiàn)有害突變可以在種群大小下降過程中得到有效的清除，而且種群收縮得越小，清除的速度越快。然而，如果種群長期處在數(shù)量比較小的狀況下，有害突變最終會逐漸地累積。該研究結(jié)合了種群遺傳分析以及遺傳模擬，發(fā)現(xiàn)盡管現(xiàn)存鱷蜥的野外種群遺傳多樣性較低，但是有害突變得到了有效的清除，說明近交衰退不是影響現(xiàn)存鱷蜥生存的主要因素。但是現(xiàn)存鱷蜥種群都很小且嚴重破碎化，應(yīng)該努力增大種群數(shù)量，并在必要的時候增加種群間的基因交流，以減小滅絕的風(fēng)險。該研究同時發(fā)現(xiàn)，種群收縮的程度以及種群經(jīng)歷瓶頸效應(yīng)的時間都會影響有害突變的清除效率，因此研究種群歷史對于瀕危物種的保護至關(guān)重要。（Molecular Biology and Evolution, 2022, 39(1), msab359）